아이슬란드 Fagradalsfjall(파그라달스퍄들) 화산 내 깊은 마그마 광원의 신속한 변화 관찰
최근 아이슬란드의 단층 사건(rifting events)들은 중점적인 지각 마그마 저장소(reservoir)와 측면에서의 마그마 수송의 역할을 밝혀냈습니다. 이는 해령(mid-ocean ridge)의 화성작용(magmatism; 지각 내부에서 마그마 활동으로 인한 지형 생성 혹은 지각 틈 사이 관입)의 중요한 특징입니다. 마그마의 얕은 지각 작용의 결과로 가장 위층의 맨틀과 가장 깊은 지각 사이에서 발생하는 용융의 기원, 진화 및 이동을 추적할 수 있는 흔적이 발생합니다. 이 논문에서는 아이슬란드의 례이캬네스 반도(Reykjanes Peninsula) 에서 발생한 2021년 파그라달스퍄들(Fagradalsfjall) 분화에 대한 통합적인 암석학(petrologic) 및 지구화학(geochemical) 연구를 통해 이 지역에서 발생하는 지각 변동 과정에 대한 독특한 통찰력을 제시합니다. 분화 첫 50일 동안 분출된 현무암에 대한 지구화학적 분석 및 관련된 가스 방출 분석을 통해, 모호로비치치 불연속면(Mohorovicic discontinuity, 이하 Moho)에 근접한 마그마 저장 구역의 직접적인 출처를 밝혀냈습니다. 서로 다른 맨틀의 구성과 녹는 조건을 나타내는 지구화학적 프록시(geochemical proxies: 특정 위치의 지각에 대한 통합적인 화학적 정보로, organic, inorganic 요소뿐만 아니라 온도, 초목, 풍량 등의 정보를 모두 요약한 자료.)는 개별 현무암 화산 분출에 있어 전 세계를 통틀어 유례없는 속도로 변화했습니다. 분출된 용암은 처음에는 대부분 가장 얕은 맨틀로 구성되었지만, 이후 3주 동안 더 깊은 곳에서 생성된 마그마에 의한 구성이 증가하였다. 이러한 분출된 조성물의 빠른 경향은 매우 예외적인 경우입니다. 이는 107~108m3 의 현무암 마그마를 포함하는 Moho에 근접한 melt lens(중간이 두껍고 바깥으로 갈수록 얇은 암석, 형태가 렌즈와 같아 lens로 명명)의 마그마 생성 패턴과 일치하여, mantle signal을 filtering하는 전례 없이 빠른 마그마 혼합 시간 기록을 제공합니다. 기존에 접근할 수 없던 핵심 마그마 생성 구역을 실시간 조사에 근접하게 밝히는 것은 현무암 마그마 시스템의 소요기간와 작동 원리에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.
[Figure 1] 지질학적 지도 및 인근 환경 요약
(a) RP(Reykjanes Peninsula)의 지질학적 환경 및 Reykjanes(레이캬네스), Svartsengi(스바르첸기), Fagradalsfjall(파그라달스퍄들), Krýsuvík(크리수빅 화산) and Brennisteinsfjöll(브레니스테인스욜)의 ITSC(intratransform spreading centres). 지각의 확산 경향이 서쪽에서 동쪽으로 진행되며, 볼드체로 그림에 표현되었습니다. (축척막대: 5km)
(b) Fagradalsfjall(파그라달스퍄들) ITSC 및 분화 지점을 표시합니다. 2021년 3월 10일 기준 용암이 흐른 지역의 범위를 표시했습니다. 분출구는 빨간 원으로 표시했습니다. 샘플 채취를 진행한 지역은 하얀색 다이아몬드로 표시했습니다. (축척막대: 1km)
[Figure 2] Fagradalsfjall 화산 물질의 화학 성분
(a) Fagradalsfjall 에서 얻은 whole-rock 샘플의 K2O/TiO2 대 MgO 비율. RP 상의 다른 ITSC에서 얻은 기존의 용암과 비교한 결과를 표시합니다.
(b) 아이슬란드의 단일 분출 화강암 용암과 rift system 상 많은 데이터가 제공된 다른 용암들과의 결과입니다.
양쪽 패널에 대해 모두 error bar가 포함되어 있으며, 2σ error 가 포함되어 있습니다.
[Figure 3] 2021년 Fagradalsfjall 화산 분출 중 첫 50일 간의 용암 조성을 요약한 그래프
(a–c) 화산 분출 후 날짜를 x축에 두고, 다음 값들을 y축에 두어 비교한 결과입니다.
(a) K2O/TiO2
(b) La/Yb
(c) 206Pb/204Pb
(a)와 (b)의 가장자리의 커널 밀도 추정치는 Fagradalsfjall 의 melt inclusions(이하 MI)에 대해 측정된 K2O/TiO2 및 La/Yb의 분포를 나타내며, 점선은 MI의 평균입니다. Scott’s Rule에 따라 bandswidth는 La/Yb의 경우 0.14, K2O/TiO2의 경우 0.036으로 추정됩니다. Error bar가 포함되어 있으며, 지구화학적 데이터에 대한 external 2σ error 및 이것이 정확히 알려지지 않은 경우 화산분출 일 수의 가능한 범위를 나타냅니다. Glass data error 추정은 Extended Data Fig. 2c.를 참조하십시오.
[Figure 4] Fagradalsfjall 아래의 용암 추출, 축적, 혼합 및 분출에 대한 요약 모델
(a) 유리, MI, Clinopyroxene(cpx)-liquid barometry를 이용하여 Olivine-Plagioclase-Augite-Melt(OPAM) 기압법으로 얻은 용융 저장 압력값 및 closed-system degassing 가정 시의 CO2/SO2 비율과 일치하는 저장 압력값입니다. 이 곡선은 데이터 지점의 수에 기초한 bandwidth를 사용하여 생성된 커널 밀도 추정치이며(Scott’s Rule), 모든 경우에서 측정 불확도보다 큰 값을 나타냈습니다.
(b) 분출 초기의 용암은 대부분 고갈되어, 깊지 않은 고도의 mantle source를 구성했습니다(노랑색). 하지만 분화가 진행됨에 따라 용암은 매우 풍부해졌고, 이는 보다 농축된 형태의 mantle source가 더 낮은 지점에 형성되는 데 기여했습니다(빨간색). La/Yb에 대한 역축을 유의하여 참고하십시오.
(c) Fagradalsfjall 아래의 용암의 추출, 축적 및 지각 상승 모델입니다. 용암은 맨틀에서 생성되며 폭발 전에 결정화, 혼합 및 탈가스 발생이 일어나는 near-Moho의 저장 구역으로 상승합니다.
(d) Fagradalsfjall 에서 분출된 용암의 구성을 설명하는, near-Moho 저장 구역의 발달 과정입니다. 마그마 저장소는 처음에는 상대적으로 고갈된 용융물을 포함하고 있었지만, 폭발 과정 동안 계속해서 농축된 용융물이 유입되며 마그마 저장소의 조성 변화를 가져왔습니다.
Discussion
Fagradalsfjall 분화의 원시 용암은 이전에 유사 실시간 방식의 조사가 불가능했던 마그마 시스템의 깊은 뿌리로 들어가는 창을 제공합니다. 화산 폭발은 near-Moho 저장소에서 용암을 직접 공급받아 일어났고, 지각의 얕은 층에서 오랜 시간 stalling 및 equilibrium을 유지하지 않았습니다. 이는 다른 선사시대 아이슬란드의 분화에서 추론된 시나리오와 일치합니다. 이번 폭발은 맨틀에서 파생된 구성적인 heterogeneity 를 드러냈으며, 특히 초기에 분출된 마그마는 불과 몇 주 만에 더 깊은 곳에서 파생된 용융물로 대체되었습니다. 비록 깊은 지각과 최상층 맨틀에서의 마그마 혼합이 MI와 crystal chemistry 연구를 통해 추론되었지만, 이번 연구에서는 맨틀 내의 마그마 혼합에 대한 직접적인 관찰을 진행할 수 있었습니다. 결정적으로, 광물과 그 MI만을 통해 맨틀 마그마 혼합을 연구하는 것은 간접적이고, 모델에 의존적인 시간성 및 부피 상의 정보만을 제공하여 한계가 있습니다. Fagradalsfjall 분화는 분출 가능한 현무암 마그마가 지각과 맨틀 경계에서 수 주 간 혼합된다는 과정을 보여줍니다.
Fagradalsfjall 폭발은 땅 속 깊은 마그마 배관 시스템이 얼마나 신속하게 폭발적인 분출을 재구성할 수 있는지를 명확하게 보여줍니다. 따라서 융용물 공급 시스템의 재구성 시간 척도와 마그마 시스템의 물리적 모델을 포함하여 transcrustal magmatism model을 검증하는 데 핵심적인 관찰 데이터를 제공합니다. 예를 들어, low-porosity mushes 기반의 모델은 Fagradalsfjall 에서 분출된 마그마 조성의 빠른 변화를 어떻게 설명할 수 있을지 검증해 보는 데이터가 될 수 있습니다. 이번 연구에서의 관찰은 지각–맨틀 경계 근처에서, 혹은 그 아래에서 발생하는 역동적인 용융물 추출, 혼합 및 응집 과정의 희귀한 ‘스냅샷‘을 제공합니다. 이후 연구로는 지각이 더 얇은 mid-ocean ridges(MOR) 및 다른 해양 섬에서 이번 관찰과 같은 깊은 마그마 배관 시스템이 얼마나 널리 퍼져 있는지 탐구해야 할 것이 남아 있습니다.